Evaluación experimental y numérica del reemplazo de un intercambiador de tubo aleteado monopuerto por tubo multipuerto en una bomba de calor reversible aire/agua

Abstract

[SPA] Durante las últimas cuatro décadas las sustancias utilizadas como fluidos refrigerantes han ido variando hacia aquellas que son más respetuosas con la capa de ozono y el medioambiente. Algunas de las sustancias con mejores características en estos aspectos y que además poseen buenas propiedades para ser utilizadas en refrigeración presentan una serie de inconvenientes que podrían solucionarse si la cantidad de sustancia utilizada se redujese. Los intercambiadores de minicanales, con un volumen interno muy reducido gracias al pequeño diámetro, reducen de forma significativa la cantidad de refrigerante necesaria en los sistemas de refrigeración siendo por tanto necesarios su desarrollo y generalización de uso. Tras una revisión de la bibliografía relacionada, se constata que la mayoría de los estudios publicados se centran en la caracterización del flujo bifásico en tubos multipuerto y su comparación con tubos monopuerto convencionales, pero existe muy poca literatura que estudie el comportamiento de estos equipos en un sistema completo. Además, su uso está muy extendido en el sector automovilístico, pero no así en el doméstico. Es por ello por lo que se ha construido una instalación para el estudio de sistemas de calefacción y refrigeración en la Universidad Politécnica de Cartagena. Esta instalación cuenta con los subsistemas necesarios para poder aportar y mantener en condiciones estables un flujo constante de aire y agua, tanto calientes como fríos, conectándose estos subsistemas a una bomba de calor aire/agua con un intercambiador de placas agua-refrigerante y uno de tubo aleteado de aire-refrigerante. Este último intercambiador es sustituido por otro del mismo tipo, pero a base de minicanales, realizándose la caracterización de la bomba de calor en modo calefacción y modo refrigeración con ambos tipos de intercambiadores. Adicionalmente, el sistema ha sido modelado con un software que permite introducir cada uno de sus elementos con sumo detalle y que una vez se ha validado el modelo permite simular el comportamiento de la bomba de calor en distintas condiciones de funcionamiento lo que permite realizar estudios paramétricos muy detallados, obteniéndose además datos de difícil determinación práctica como es la cantidad de refrigerante en cada uno de los componentes del sistema. Como resultado de los trabajos se determina la idoneidad del uso de intercambiadores de minicanales en bombas de calor domésticas, constatándose unas buenas prestaciones con reducciones significativas de la carga de refrigerante, aportándose un estudio detallado del comportamiento de cada componente del sistema en diferentes condiciones de funcionamiento. [ENG] Over the last four decades the substances used as refrigerants have evolved towards those ones which have been proved more ozone-layer and environmentally friendly. Some of the substances with the best characteristics in these matters and with suitable properties for their use in refrigeration have several issues which may be solved if we are able to cut down the amount of substance used. Minichannels heat exchangers, with a very limited internal volume due to their small diameter, reduce the amount of refrigerant needed significantly. Therefore, they must be developed, and their use generalized. After reviewing the related literature, we can see that most of the publications are focused on the characterisation of a two-phase flow in multiport tubes and its comparison with conventional monoport tubes, but there are only a few papers which study the performance of this equipment within a complete system. Besides, their use is widespread in the automobile sector, but not in the household one. Therefore, a facility has been built for the study of heating pumps at the Technical University of Cartagena. This facility has the necessary auxiliary systems to be able to supply a constant flow of water and air, either cool or hot, keeping their conditions steady. These auxiliary systems are connected to an air/water heat pump with a plate heat exchanger for the water side and a fin-and-tube one for the air side. The last is replaced with one of the same type but with a minichannels tube instead of a conventional tube. The heat pump is characterised with both finand-tube heat exchangers on heating mode and on cooling mode. Additionally, the system has been modelled with a software which allows the accurate definition of each element. After validating the model, the heat pump performance can be simulated in several working conditions which allows parametric studies. Besides, the simulation results include some parameters whose practical determination may be tricky such as the amount of refrigerant inside each component of the system. As a result of the works carried out, the minichannels heat exchangers technology is found suitable for domestic heat pumps. A detailed study of the performance of each element in different working conditions is provided to demonstrate that it has been verified that the performance is good enough while significantly cutting down the amount of refrigerant in the system.